Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 1 Lớp : K51CHTTT ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cấn Việt Dũng NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH LUỒNG VÀ ỨNG DỤNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 2 Lớp : K51CHTTT ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cấn Việt Dũng NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH LUỒNG VÀ ỨNG DỤNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 3 Lớp : K51CHTTT LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin, những người đã trực tiếp chỉ bảo tôi những kiến thức trong suốt bốn năm học vừa qua trên ghế giảng đường. Đặc biệt tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới TS. Nguyễn Hải Châu người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này. Xin được gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc tới tất cả các thầy cô. Xin chúc thầy cô đạt được nhiều thành tựu hơn nữa trong sự nghiệp đào tạo tri thức cho đất nước cũng như trong các công việc nghiên cứu khoa học. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Ngày 20 Tháng 05 năm 2010 Sinh viên thực hiện Cấn Việt Dũng Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 4 Lớp : K51CHTTT TÓM TẮT KHÓA LUẬN Trong khóa luận này, tôi sẽ trình bày lý thuyết về Thread, lập trình posix thread và cài đặt một bài toán sử dụng posix thread để thấy được hiệu quả của việc sử dụng chúng. Phần đầu tiên,tôi giới thiêu lý thuyết về Thread, Multi thread và các vấn đề liên quan. Tiếp theo, tôi trình bày về lập trình posix thread trên hệ điều hành linux, bao gồm cách tạo, ngắt thread và đồng bộ các thread trong chương trình. Cuối cùng, là cách cài đặt bài toán “tìm cặp điểm gần nhau nhất trong tập N điểm cho trước”( qui ước bài toán này là bài toán closest_pair) sử dụng posix thread trên ngôn ngữ C để thấy được sự hiệu quả của việc sử dụng multithread trong việc nâng cao hiệu năng của chương trình, ở đây cụ thể là tốc độ tính toán tăng lên rõ rệt. Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 5 Lớp : K51CHTTT MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THREAD VÀ MULTI THREAD 9 1.1. Tổng quan về thread 9 1.2. So sánh thread với tiến trình 9 1.3. Đa thread: những lợi thế 10 1.4. Tiến trình, thread nhân, thread người dùng, fiber 11 1.5. Vấn đề đưa ra của thread và fiber 12 1.5.1.Truy cập đồng thời và cấu trúc dữ liệu 12 1.5.2.Vào/ ra và bộ lập lịch 13 1.6. Các mô hình 14 1.6.1. Mô hình 1:1 (thread cấp nhân) 14 1.6.2. Mô hình N:1 (thread cấp người dùng) 14 1.6.3. Mô hình N:M (thread tích hợp) 14 1.7. Ngôn ngữ hỗ trợ 15 CHƯƠNG 2: POSIX THREAD PROGRAMMING 16 2.1. Tổng quan về Pthread 16 2.1.1. Khái niệm Pthread 16 2.1.2. Tại sao lại sử dụng Pthread? 16 2.1.3. Pthread API 18 2.1.4. Biên dịch chương trình Threaded 19 Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 6 Lớp : K51CHTTT 2.2. Quản lý Thread 20 2.2.1. Các thủ tục chính 20 2.2.2. Tạo Thread 20 2.2.3. Thiết lập các thuộc tính cho Thread 21 2.2.4. Hủy thread 21 2.2.5. Truyền tham số cho Thread 23 2.2.6. Nối và tách Thread 24 2.2.6.1. Những thủ tục chính 25 2.2.6.2. Nối Thread 25 2.2.6.3. Có thể nối được hay không? 25 2.2.6.4. Tách (detaching) 26 2.2.7. Quản lý stack 28 2.2.7.1. Những thủ tục 28 2.2.7.2. Ngăn ngừa những vấn đề với stack 28 2.3. Biến Mutex 28 2.3.1. Khái niệm mutex 28 2.3.2. Tạo ra và phá hủy mutex 29 2.3.2.1. Những thủ tục 29 2.3.2.2. Cách sử dụng 30 2.3.3. Khóa và mở khóa mutex 30 2.3.3.1. Các thủ tục 30 2.3.3.2. Cách sử dụng 30 2.4. Biến điều kiện 35 2.4.1. Khái niệm về biến điều kiện 35 Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 7 Lớp : K51CHTTT 2.4.2. Tạo ra và phá hủy 1 biến điều kiện 37 2.4.2.1. Các thủ tục 37 2.4.2.2. Cách sử dụng 37 2.4.3. Waiting và signaling trên biến điều kiện 37 2.4.3.1. Các thủ tục 38 2.4.3.2. Cách sử dụng 38 2.5. Dữ liệu riêng của Thread(Thread – specific data) 41 2.5.1. Khái niệm dữ liệu riêng của thread 41 2.5.2. Cấp phát dữ liệu riêng của thread 41 2.5.3. Truy cập vào dữ liệu riêng của thread 42 2.5.4.Xóa dữ liệu trong thread 44 CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN CLOSEST_PAIR TRONG KHÔNG GIAN HAI CHIỀU SỬ DỤNG MULTITHREADING 45 3.1. Giới thiệu bài toán 45 3.2. Các thuật toán khác nhau để giải bài toán tìm khoảng cách ngắn nhất giữa các cặp điểm trong N điểm cho trước. 45 Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 8 Lớp : K51CHTTT GIỚI THIỆU Thread là một mô hình lập trình phổ biến cho phép nhiều thread đơn có thể chạy trên cùng một tiến trình, và các thread này có thể chia sẻ tài nguyên của tiến trình cũng như có thể tính toán độc lập. Và ứng dụng hữu ích nhất của mô hình này là khi nó được áp dụng cho một tiến trình đơn lẻ để cho phép tính toán song song trên một hệ thống đa xử lý. Trong khóa luận này, tôi sẽ trình bày mô hình này trên chuẩn IEEE POSIX 1003.1c, được gọi là POSIX thread hay Pthread. Lý do tôi chọn Pthread, là để nhận ra hiệu quả tiềm năng của chương trình, việc tạo ra một thread sử dụng ít tài nguyên và chi phí của hệ điều hành hơn rất nhiều so với việc tạo ra một tiến trình. Nội dung chính của khóa luận bao gồm 3 chương, nội dung cụ thể như sau: Chương I: Giới thiệu về thread và multi thread. Chương này tập trung giới thiệu về thread và multi thread, so sánh giữa thread với tiến trình và cùng với đó là những lợi thế khi sử dụng multi thread. Cuối cùng là các mô hình thread và các ngôn ngữ hỗ trợ. Chương II: Lập trình POSIX thread. Chương này sẽ đề cập tới các vấn đề cơ bản trong lập trình POSIX thread (Pthread). Các vấn đề được đề cập bao gồm việc quản lý thread, tạo, hủy, tách và nối thread. Các biến mutex, biến điều kiện và cách sử dụng. Mỗi phần đều có những ví dụ minh họa. Chương III: Bài toán closest_pair. Chương này tôi sẽ cài đặt bài toán closest_pair hai chiều bằng các phương pháp thông thường, đệ qui và đệ qui sử dụng multi thread để thấy được hiệu quả của việc sử dụng multi thread. Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 9 Lớp : K51CHTTT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THREAD VÀ MULTI THREAD 1.1. Tổng quan về thread Trong khoa học máy tính, một chuỗi các tính toán kết quả từ một fork của một chương trình máy tính chia thành hai hoặc nhiều nhiệm vụ chạy đồng thời. Sự thể hiện của các thread và tiến trình (process) là khác nhau trong một hệ điều hành, nhưng trong hầu hết các trường hợp, một thread được nằm bên trong một tiến trình. Nhiều thread có thể tồn tại cùng trong một tiến trình và chia sẻ tài nguyên như bộ nhớ, trong khi những tiến trình khác nhau không thế chia sẻ tài nguyên. Trên một bộ xử lý đơn, multi thread thường xảy ra bởi sự phân chia thời gian ghép (như trong multitasking): bộ xử lý chuyển giữa những thread khác nhau. Ngữ cảnh chuyển thường xảy ra một cách thường xuyên đủ để người dùng nhận thấy được nhiều thread hoặc nhiệm vụ đang chạy tại cùng một thời điểm. Trên một bộ đa xử lý hoặc hệ thống nhiều nhân, những thread hoặc nhiệm vụ sẽ chạy cùng lúc, với mỗi một bộ xử lý hoặc nhân chạy một thread hoặc nhiệm vụ riêng. Nhiều hệ điều hành hiện đại hỗ trợ trực tiếp sự phân chia thời gian hoặc đa thread với một bộ lập lịch tiến trình. Nhân của hệ điều hành cho phép người lập trình tính toán thread bằng các giao diện lời gọi hệ thống. Một vài thể hiện được gọi là thread nhân, trong khi một tiến trình nhẹ (lightweight process) là một kiểu xác định của thread nhân để chia sẻ trạng thái và thông tin. Chương trình có thể có thread không gian người dùng khi lập trình thread với thời gian, tín hiệu hoặc những phương thức khác để làm gián đoạn thực hiện riêng của họ để thực hiện một sắp xếp ad-hoc hoặc chia thời gian. 1.2. So sánh thread với tiến trình Thread khác với tiến trình trong hệ điều hành đa nhiệm truyền thống ở các điểm sau: - Các tiến trình thường được độc lập, còn các thread thì tồn tại như là các tập con của một tiến trình. - Tiến trình có trạng thái thông tin đáng kể, trong khi nhiều thread trong một tiến trình chia sẽ trạng thái tiến trình cũng như bộ nhớ và các tài nguyên khác. Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng Sinh viên: Cấn Việt Dũng 10 Lớp : K51CHTTT - Tiến trình có vùng địa chỉ riêng biệt, trong khi thread chia sẽ không gian địa chỉ của chúng. - Các tiến trình chỉ tương tác thông qua cơ chế liên tiến trình do hệ thống cung cấp. - Ngữ cảnh chuyển giữa các thread trong cùng một tiến trình thường sẽ nhanh hơn chuyển giữa các tiến trình. 1.3. Đa thread: những lợi thế Multi thread như là một mô hình lập trình phổ biến và cho phép thực hiện nhiều thread tồn tại trong một tiến trình đơn. Những thread này chia sẻ tài nguyên của tiến trình nhưng cũng có thể tính toán độc lập. Mô hình lập trình thread cung cấp cho người phát triển những sự hữu ích của việc tính toán đồng thời. Tuy nhiên, có lẽ ứng dụng thú vị nhât cho công nghệ này là khi nó được áp dụng cho một tiến trình đơn lẻ để cho phép tính toán song song trên một hệ thống đa xử lý. Lợi thế này của lập trình multi thread cho phép nó tính toán nhanh hơn trên hệ thống máy tính có nhiều CPU, CPU với nhiều nhân hoặc qua một cụm máy – bởi vì những thread của chương trình cho vay chính bản thân nó để thực hiện sự đồng thời. Trong trường hợp này, người lập trình cần phải cẩn thận để tránh lỗi chạy điều kiện (race condition), và những đối xử không thuộc trực giác. Để các dữ liệu được thao tác chính xác, những thread sẽ quy thời gian để xử lý dữ liệu theo thứ tự đúng. Thread có thể yêu cầu hoạt động độc quyền (thường được thực hiện bằng cách sử dụng semaphore) để ngăn chặn dữ liệu không bị đồng thời sửa đổi hoặc đọc trong khi quá trình đang bị sửa đổi. Một lợi thế khác của multi thread, kể cả đối với hệ thống đơn CPU, là có khả năng cho một ứng dụng vẫn đáp ứng được nhu cầu đầu vào. Trong một chương trình thread đơn, nếu khối thread tính toán chính trên một nhiệm vụ lớn, toàn bộ ứng dụng có thể xuất hiện để đóng băng. Bằng cách di chuyển nhiệm vụ lớn này tới một thread worker để chạy đồng thời với thread tính toán chính, nó có thể cho các ứng dụng đáp ứng đầu vào của người dùng trong khi vẫn thực hiện nhiệm vụ tính toán. Hệ điều hành sắp xếp các thread theo một trong hai cách sau: [...]... nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng thread đáp ứng cho bộ lập lịch thread người dùng trên nhưng thực thể có thể lập lịch được luôn sẵn sàng Điều này làm cho ngữ cảnh chuyển giữa các thread rất nhanh, và nó tránh được những lời gọi hệ thống Tuy nhiên, điều này tăng độ phức tạp và khả năng đảo ngược độ ưu tiên, cũng như lập trình gần tối ưu mà không cần nhiều sự phối hợp giữa các bộ lập lịch vùng... nhiều so với thread nhân hay thread người dùng Một fiber có thể được lập lịch để chạy trong bất kỳ thread nào trong cùng một tiến trình Điều này cho phép những ứng dụng đạt được những hiệu suất cải tiến bằng cách quản lý sự lập lịch, thay vì dựa vào bộ lập lịch của nhân (mà có thể không được điều chỉnh cho ứng dụng) Môi trường lập trình song song như OpenMP thường thể hiện nhiệm vụ của chúng thông qua... Thread nhân là đa nhiệm phòng ngừa (preemptively multitasked) nếu quá trình lập lịch của hệ điều hành là “phòng ngừa” Thread nhân không sử hữu tài nguyên cho riêng nó ngoại trừ Sinh viên: Cấn Việt Dũng 11 Lớp : K51CHTTT Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng một ngăn xếp, một bản sao đăng ký bao gồm bộ đếm chương trình, và lưu trữ thread địa phương (thread-local) Hạt nhân có thể... giới thiệu trong bộ vi xử lý Pentium 4 của Intel, có tên là Hyper Threading 1.4 Tiến trình, thread nhân, thread người dùng, fiber Một tiến trình là đơn vị nặng nhất của lập lịch nhân Tiến trình sở hữu tài nguyên được cấp phát bởi hệ điều hành Tài nguyên bao gồm bộ nhớ, xử lý tập tin, socket, thiết bị xử lý, và window Tiến trình không chia sẻ không gian địa chỉ hoặc tài nguyên tập tin ngoại trừ thông qua... thừa kế tập tin xử lý hoặc các phân đoạn chia sẻ bộ nhớ, hoặc lập bản đồ cùng một tập tin tron một cách đã được chia sẻ Tiến trình thường là đa nhiệm phòng ngừa (preemptively multitasked) Một thread nhân là thành phần nhẹ nhất của bộ nhân lập lịch Ít nhất một thread nhân tồn tại trong một tiến trình Nếu nhiều thread nhân tồn trại trong một tiến trình, sau đó chúng chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên tập tin Thread... K51CHTTT Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng 2.2 Quản lý Thread 2.2.1 Các thủ tục chính  pthread_create(thread, attr, start_routine, arg)  pthread_exit(status)  pthread_attr_itit(attr)  pthread_attr_destroy(attr) 2.2.2 Tạo Thread Ban đầu, chương trình main() bao gồm một thread đơn mặc định Tất cả những thread khác phải được tạo ra từ lập trình viên Hàm pthread_create tạo ra... thi Kể từ khi sự lập lịch xảy ra ở không gian người dùng, chính sách lập lịch sẽ dễ dàng phù hợp với yêu cầu của khối lượng công việc của chương trình hơn Tuy nhiên, cách sử dụng các khối lời gọi hệ thống trong thread người dùng hoặc fiber có thể khó giải quyết Nếu một thread người dùng hoặc một fiber thực hiện một lời gọi hệ thống, những thread người dùng hoặc fiber khác trong tiến trình sẽ không thể... nhân 1.7 Ngôn ngữ hỗ trợ Rất nhiều ngôn ngữ lập trình hỗ trợ thread trong một số khả năng nào đó Nhiều triển khai của C và C++ không cung cấp hỗ trợ trực tiếp cho thread ngay của riêng mình, nhưng cung cấp truy cập vào các thread API cung cấp bởi hệ điều hành Một vài ngôn ngữ bậc cao như Java, Python và Net,tiếp xúc với thread để phát triển Một số ngôn ngữ lập trình khác cũng cố gắng tóm tắt khái niệm... ngôn ngữ lập trình khác cũng cố gắng tóm tắt khái niệm về sự đồng thời và thread từ nhà phát triển Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu vào lập trình thread trong hệ thống Unix với POSIX Thread Sinh viên: Cấn Việt Dũng 15 Lớp : K51CHTTT Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu lập trình thread và ứng dụng CHƯƠNG 2: POSIX THREAD PROGRAMMING 2.1 Tổng quan về Pthread 2.1.1 Khái niệm Pthread Trong lịch sử, các nhà phát... việc sử độc quyển sở hữu về các phiên bản của thread Các thực hiện này khác biệt đáng kể so với các thực hiện khác làm cho các nhà lập trình khó khăn trong việc phát triển các ứng dụng thread di động Để tận dụng đầy đủ các khả năng được cung cấp bởi thread, một giao diện lập trình chuẩn hóa đã được yêu cầu:  Với hệ thống UNIX, giao diện này được xác định bởi chuẩn IEEE POSIX 1003.1c  Những thực hiện